Fermentation

Fermentation – Chemie

Wie kann man aus Käse Milch herstellen, aus Trauben Wein und aus Gerste Bier? Das klingt doch nach Zauberei, ist es aber nicht. Dahinter steckt der Prozess der Fermentation. Was genau die Fermentation ist und wo uns weitere Produkte der Fermentation im Alltag begegnen, wollen wir uns im Folgenden anschauen.

Was ist Fermentation?

Die Fermentation oder auch Fermentierung ist ein biochemischer Prozess, der im Industriezweig der Biotechnologie breite Anwendung findet. Dabei werden biologische Materialien wie z. B. Mehl, Milch oder Obst mithilfe von Mikroorganismen und ihren Enzymen in einer chemischen Reaktion umgesetzt. Dieser Prozess wurde ursprünglich von dem französischen Wissenschaftler Louis Pasteur beschrieben und als Reaktion unter Ausschluss von Sauerstoff definiert. Heutzutage wird der Begriff Fermentation in der Biotechnologie etwas weiter gefasst und bezieht sich auf alle Umwandlungen von biologischen Materialien mithilfe von Enzymen bzw. Mikroorganismen, also auch jene mit Sauerstoffzufuhr. Bei der Fermentation kommen drei verschiedene Arten von Mikroorganismen zum Einsatz:

• Bakterien,
• Hefen und
• Schimmel.

In biotechnologischen Anlagen finden diese Reaktionen in großen Reaktoren, auch als Fermenter bezeichnet, statt. Zudem werden oft nur noch reine Enzyme der zuvor aufgelisteten Mikroorganismen eingesetzt. Das hat den Vorteil, dass die Masse der entstehenden Produkte besser kalkulierbar und die Qualität konstant ist.

Was ist der Unterschied zwischen Fermentation und Gärung?

Oft werden Fermentation und Gärung synonym verwendet, das heißt, beiden Begriffen wird die gleiche Bedeutung zugeschrieben. Doch schauen wir noch einmal auf die jeweiligen Definitionen: Die Gärung (Biologie) ist ein anaerober Prozess zur Energiegewinnung, läuft also unter Ausschluss von Sauerstoff ab. In der Definition zur Fermentation haben wir gelernt, dass diese auch aerobe Prozesse, also unter Sauerstoffzufuhr, umfasst. Verwirrend kann in diesem Zusammenhang die Essigsäuregärung sein. Denn diese findet mit Sauerstoff statt und ist per Definition keine Gärung, sondern eine unvollständige Oxidation.
Also kann man sagen, dass Gärprozesse eine spezielle Art der Fermentation darstellen. Welche weiteren Arten der Fermentation es gibt, wollen wir nun anhand von Beispielen betrachten.

Alkoholische Gärung

Die alkoholische Gärung ist wohl die bekannteste und am häufigsten eingesetzte Form der Fermentation. Hierbei werden insbesondere Hefen eingesetzt. Deren Enzyme wandeln natürlichen Zucker (Glucose, $\ce{C6H12O6}$) in Alkohol (Ethanol, $\ce{C2H5OH}$) und Kohlenstoffdioxid um.

$\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}$

Die alkoholische Gärung wird zur Produktion von Wein, Bioethanol (Treibstoff) und Backwaren eingesetzt. Bei Letzterem führt das frei werdende Kohlenstoffdioxid zum Aufgehen des Teiges. Ethanol wiederum verdampft beim Backen.

Milchsäuregärung

Bei der Milchsäuregärung wandeln Milchsäurebakterien vorhandenen Zucker (Glucose, $\ce{C6H12O6}$) in Milchsäure ($\ce{C3H6O3}$) um. Vielleicht hast du schon einmal von Lactat gehört. Dies ist das Salz der Milchsäure. Bei Milch und Molke führt die Milchsäure zur Denaturierung (Gerinnung) der Proteine – es entsteht Joghurt oder Käse.

$\ce{C6H12O6 + 2 ADP + 2 P_i -> 2 C3H6O3 + 2 ATP}$

ADP und ATP stehen für Adenosindi- und Adenosintriphosphat, $P_i$ bezeichnet anorganische Phosphate.

Essigsäuregärung

Bei der Essigsäuregärung wandeln Essigsäurebakterien Alkohol (Ethanol, $\ce{C2H5OH}$) in Essigsäure ($\ce{CH3COOH}$) um. Im Gegensatz zu den vorherigen Fermentationsarten handelt es sich hierbei um eine Oxidation. Dem Fermentationsprozess wird also Sauerstoff zugeführt.

$\ce{C2H5OH + O2 -> CH3COOH + H2O}$

Die Herstellung von Weinessig ist ein bekanntes Beispiel für die Essigsäuregärung. Auch wenn Wein in einer Flasche lange offen steht, wird er aufgrund von Essigsäuregärung sauer.

Welchen Nutzen hat die Fermentation?

Bei der Fermentation werden leicht verderbliche organische Substrate in haltbare Produkte umgewandelt. So entstehen teilweise Lebensmittel mit einer langen Haltbarkeit – Weinessig, Obstwein, Käse oder Sauerkraut. Produkte der Fermentation finden aber auch in anderen Bereichen des Lebens Anwendung. So wird durch alkoholische Gärung der Kraftstoff Bioethanol gewonnen. Im Bereich der pharmazeutischen Biotechnologie werden Medikamente wie diverse Antibiotika oder Proteine wie z. B. Insulin durch Fermentationsprozesse hergestellt.

Das Video Fermentation

In diesem Video bekommst du einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fermentation. Hierbei wird die alkoholische Gärung als ein Beispiel für einen Fermentationsprozess vorgestellt. Dein neu gewonnenes Wissen kannst du im Anschluss mit interaktiven Übungsaufgaben und einem Arbeitsblatt zum Herunterladen testen.